分子生物学绪论

分子生物学

（MolecularBiology）刘湘

生物技术教研室

1目录绪论1、基因和基因组2、DNA的生物合成3、RNA的生物合成4、蛋白质的生物合成5、基因表达调控6、信号转导7、核酸提取与鉴定8、印迹杂交技术9、聚合酶链反应10、重组DNA技术11、转基因技术与基因打靶技术12、细胞周期与细胞凋亡13、肿瘤的分子生物学14、基因诊断和基因治疗15、人类基因组计划与组学16、分子生物学与药物研究2第一章绪论分子生物学发展简史分子生物学主要研究内容分子生物学在医药研究中的应用3分子生物学的概念分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能，并从分子水平上阐明蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸之间的互作及其基因表达调控机理的学科。广义上，分子生物学包括对蛋白质和核酸等生物大分子结构与功能的研究，以及从分子水平上阐明生命现象和生物规律，但目前主要研究基因的结构与功能、复制、转录、表达和调控，确切地应称为分子遗传学。4BiochemistryGeneticsCytologyMolecularBiology研究细胞的结构与功能的细胞学研究基因的遗传与变异的遗传学研究活性物质代谢规律的生物化学分子生物学的三大支撑学科5Biochemistry的双重使命：分析细胞的组成成分（静态生化）研究物质的代谢规律（动态生化）6一、分子生物学发展简史7(一)准备和酝酿阶段（1820~1950年代）●确定了蛋白质是生命现象的物质基础

●确定了DNA是生命遗传的物质基础8肺炎球菌的转化噬菌体的感染TMV蛋白质与RNA的分析证明核酸是生物遗传和变异的信息载体的三个经典实验9著名的肺炎球菌实验S型肺炎球菌：有荚膜，菌落表面光滑R型肺炎球菌：没有荚膜，菌落表面粗糙结果说明？10结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌这种生物分子或遗传物质是什么呢？

著名的肺炎球菌实验

纽约洛克非勒研究所1944年Avery从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来，分别加入到无害的R型肺炎球菌中结果发现，唯独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。结论：DNA是生命的遗传物质11(二)创立和发展阶段

（1950~1970年代）●

1953年，美国科学家Watson和英国科学家Crick提出DNADoubleHelixmodel分子生物学的重要里程碑12

1962年Watson、Crick与Wilkins共享诺贝尔生理医学奖通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了前两者提出的DNA的模型13JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel19531962141、1958年Crick提出中心法则15StahlMeselson●

1958年，Meselson

和Stahl证明DNA半保留复制。半保留复制是遗传消息能准确传代的保证。是物质稳性的分子基础。DNA复制机制的研究16●1968年，Okazaki提出DNA的半不连续复制●1971-1976年，Wang先后发现大肠杆菌DNA拓扑异构酶I和II.提出DNA的半不连续复制DNA复制机制的研究17RNA合成机制的研究●1961年，Hall和Spiegelman证明mRNA与DNA序列的互补性18蛋白质合成机制的研究●50年代，Zamecnik证明核糖体是蛋白质的合成机器●1957年，Hoagland、Stephenson和Zamecnik等分离出tRNA,并提出其转运氨基酸的作用●1961年，Brenner和Gross等观察到mRNA与核糖体的结合19蛋白质合成机制的研究●1968年，Nirenberg、Holley和Khorana解读了遗传密码及其在蛋白质合成方面的技能而分享诺贝尔生理医学奖。2021●1970年，Temin

和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现逆转录酶22232、对蛋白质结构和功能的进一步研究●1956-1958年，Anfinsen(1972年诺贝尔化学奖获得者)和White（酶蛋白变性和复性），提出蛋白质空间结构是由氨基酸序列决定的●1956年，Ingram证明镰贫患者的血红蛋白和正常人仅有一个氨基酸不同，使人们对蛋白质一级结构决定其功能的意义有了更深刻的认识242、对蛋白质结构和功能的进一步研究●20世纪60年代，血红蛋白、核糖核酸酶A等蛋白质的一级结构相继阐明;●1965年，中国科学家人工合成牛胰岛素，并于1973年完成其空间结构的分析，为阐明蛋白质的结构规律作出了重要贡献。25(三)深入发展阶段（1970年代以后）1、20世纪70年代，基因工程技术的建立成为新的里程碑，标志着新时期的开始

26从40～60年代，科学家们就为基因工程设计好了美丽的蓝图，但是而对庞大dsDNA，束手无策。1968年，Meselson和Yuan在大肠杆菌中发现了限制酶1970年，Smith和Wilcox在流感噬血杆菌中分离纯化了限制性核酸内切酶HindⅡ，被称为“核酸分子手术刀”。有了切割与缝合基因的工具，为生物的改造提供了强大武器。基因操作的工具酶的发现271972-BergEcoRIrecognitionsitesλphageDNAEcoRIcutsDNAintofragmentsStickyendSV40DNAThetwofragmentssticktogetherbybasepairingDNAligaseRecombinantDNA281972年,

Berg和Boyer获得第一个重组DNA分子（1980年诺贝尔化学奖）

291977年，Boyer等在大肠杆菌中表达促生长素抑制素1978年，重组人胰岛素在大肠杆菌中成功表达1982年，第一个由基因工程菌生产的药物——胰岛素，在美国、英国获准使用开发基因工程产品作为医药业和农业的重要方向，将对医药业和农业作出巨大贡献。302007年美国的马里奥·卡佩奇、奥利弗·史密斯和英国的马丁·伊文思因对基因敲除技术的研究而获诺贝尔生理学医学奖。MarioR.CapecchiSirMartinJ.EvansOliverSmithiesTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2007"fortheirdiscoveriesofprinciplesforintroducingspecificgenemodificationsinmicebytheuseofembryonicstemcells"转基因技术和基因打靶技术31转基因技术和基因打靶技术1982年，Palmiter等将大鼠生长激素基因导入小鼠受精卵内，培育得到超级小鼠，激起了人们对培育优良品系家畜的热情自1996年以来，转基因植物的培育突飞猛进:转基因玉米和转基因大豆作为农作物已经大规模种植我国科学家也已经成功培育出抗棉铃虫的转基因棉花和抗除草剂的转基因水稻32基因诊断和基因治疗血红蛋白病等一些遗传病已经实现产前基因诊断。腺苷脱氨酶缺乏症等一些单基因疾病的基因治疗已经获得成功332、基因组研究的开展

生命科学从研究单个基因发展到研究基因组分析一种生物基因组核酸的全序列对理解该生物的遗传信息及其功能具有重要意义1977年，Sanger分析了ΦX174噬菌体的基因组序列1990年，人类基因组计划开始实施，并在2003年基本完成了测序工作到2011年1月11日，已经有1549种生物的基因组完成测序。目前，基因组研究已经进人后基因组时代34桑格(Sanger）吉尔伯特(Gilbert）伯格（Berg）1980年，与Gilbert和Berg共享诺贝尔化学奖Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。●1977年，Sanger等人发明了一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法（双脱氧链终止法）。353、基因表达调控机制的揭示

在20世纪60年代之前，主要认识了原核生物基因表达调控的一些规律1977年，猿猴病毒和腺病毒基因编码序列不连续性的发现揭开了认识真核生物基因组结构和表达调控的序幕20世纪80-90年代，真核生物基因的调控序列和调节蛋白开始得到研究，人们认识到核酸与蛋白质的相互识别与相互作用是基因表达调控的根本所在36TheNP1993splitgenesIn1978RichardJ.RobertsPhillipA.Sharpminirevolution374、信号转导机制研究的深入

20世纪50年代，Sutherland(1971年诺贝尔生理学或医学奖)于1957年发现的cAMP和1965年提出的第二信使学说是人们认识信号转导的一个里程碑1977年，Gilman(I994年诺贝尔生理学或医学奖)等发现了G蛋白，深化了对G蛋白介导信号转导的认识癌基因和抑癌基因的发现、酪氨酸激酶的发现及对其结构和功能的深入研究、各种受体蛋白基因的克隆及对受体蛋白结构和功能的探索等，使信号转导机制的研究得到进一步发展。38二、分子生物学的主要研究内容●化学家和物理学家对生物大分子组成和结构的研究，特别是对蛋白质构象和核酸构象的研究，奠定了分子生物学的物质基础●遗传学家和生物化学家对生物大分子功能和作用机制的研究，确立了以中心法则为核心的遗传信息传递理论

分子生物学的形成是多学科研究相互融合的结果。39(一)核酸的分子生物学

●核酸的分子生物学研究核酸的结构和功能●研究内容：核酸和基因组的结构，基因的鉴定，遗传信息的复制、转录和翻译，基因表达的调控，基因改造及基因工程相关技术的发展和应用等●中心法则是核酸分子生物学理论体系的核心●基因组学的建立和发展使核酸的分子生物学成为生命科学的领头学科。40(二)蛋自质的分子生物学

●研究操纵各种生命活动的主要大分子-蛋白质的结构和功能●核酸的功能往往要通过蛋白质来实现，两类大分子的代谢与生命活动密切相关●研究历史长，但发展较慢，因为蛋白质的研究难度大●蛋白质组学的建立将从根本上推动蛋白质分子生物学的发展41(三)信号转导的分子生物学

●研究细胞之间信号传递、细胞内部信号转导的分子基础●细胞的增殖、分化及其他活动均依赖各种环境信号●这些信号直接或间接刺激细胞，使其做出应答，表现为一系列生物化学变化例如蛋白质构象的改变、蛋白质磷酸化和去磷酸化平衡的改变、蛋白质-蛋白质相互作用的改变等，以适应环境。42(三)信号转导的分子生物学

●研究的目标是阐明变化的分子机制，阐明各种信号转导分子及信号转导途径的效应和调节方式，认识由众多信号转导途径形成的网络控制系统●信号转导的研究在理论方面和技术方面与核酸的分子生物学、蛋白质的分子生物学联系密切，是分子生物学目前发展最快的领域之一。43三、分子生物学在医药研究中的应用

●分子生物学应用于医药研究的重要内容之一，是利用生物体作为反应器，按照人类意志开发和生产医用生物制品●与此同时，对中药品种、资源、育种及药理等方面的研究也是分子生物学的重要任务。

44(一)分子生物学与药物研究

●1、基因工程药物重组人胰岛素；第一种基因工程疫苗-重组乙肝疫苗开发成功；药物研究的主要方向●2、基因药物用于治疗目前尚难以治疗的疾病，包括遗传病、病毒性疾病、心血管疾病、内分泌疾病、神经系统疾病、自身免疫缺陷性疾病和肿瘤等。●3、反义核酸药物反义核酸药物是以阻遏基因表达为目的的基因治疗药物，其化学本质是反义RNA、反义DNA和肤核酸等，可以在复制、转录和翻译水平上阻遏基因表达。这类药物可以用于治疗肿瘤、遗传病和传染病等。45

(二)分子生物学与中药研究

●影响中医药产业现代化和国际化的重要原因是:大多数中医理论论证还不充分，大多数中药有效成分还不明确●此外，还有药品质量控制不够标准、疗效判断不够规范、药理和毒理作用不够明确等问题有待解决●分子生物学技术应用于中医药研究领域，不仅可以深化中医药理论、提高中医药疗效、减少中医药副作用，而且有利于中医药与现代医药接轨46

1、中药材的鉴定●为了保证中医药的疗效，首先要控制中药材的质量●目前应用于中药材鉴定的分子生物学技术分为三类:电泳技术、免疫技术和DNA多态性标志技术47

2、药用植物资源的研究和优良品种的培育●是生物多样性保护的重要组成部分●运用分子生物学技术进行分子亲缘的研究，广泛收集并保护药用植物的种质资源，可以：①筛选药用植物的优良品种，防止现有品种退化②改良传统药用植物的遗传性状，培育优良品种，提高其有效